Konu anlatımı
Madde doğada katı, sıvı, gaz ve plazma hâllerinde bulunur. Bir maddenin hangi hâlde olduğunu, tanecikleri arasındaki etkileşimlerin gücü ile sıcaklık ve basınç belirler. Buzun suda yüzmesi, düdüklü tencerenin yemeği çabuk pişirmesi, nemli yaz günlerinin daha sıcak hissedilmesi ve tüpteki gazın sıvı hâlde taşınması bu konunun günlük hayattaki karşılıklarıdır.
Bu sayfada maddenin hâllerinin önemini, katıların sınıflandırılmasını, sıvılarda viskoziteyi, buhar basıncını ve kaynamayı, nem ve bağıl nemi, gazların özelliklerini ve birimlerini, hâl değişim grafiklerini ve plazma hâlini göreceksin. TYT'de gaz yasaları, gizli ısı ve bağıl nem hesapları yoktur; bu konudaki sorular grafik okuma, karşılaştırma ve kavram bilgisi üzerinedir.
Fiziksel hâller ve önemi
Katılarda tanecikler birbirine çok yakın ve düzenli dizilmiştir, yalnızca bulundukları yerde titreşir; katıların belirli şekli ve hacmi vardır. Sıvılarda tanecikler birbirine yakındır ama birbiri üzerinden kayabilir; sıvıların belirli hacmi vardır, şekli yoktur. Gazlarda tanecikler arasındaki boşluk çok büyüktür; gazlar bulundukları kabı doldurur ve sıkıştırılabilir. Hâl değişimleri birçok teknolojinin temelidir: LPG ve LNG sıvılaştırılarak küçük hacimde taşınır, deodorantlardaki itici gazlar basınç altında sıvı hâlde tutulur, buzdolaplarındaki soğutucu akışkan buharlaşırken iç ortamdan ısı alır. Sıvılaştırılan hava ayrımsal damıtmayla azot ve oksijene ayrılır.
Katılar
Katılar, taneciklerini bir arada tutan kuvvete göre sınıflandırılır. Tuzda (sodyum klorür) iyonlar iyonik bağla tutulur; tuz iyonik bir katıdır. İyotta I₂ molekülleri zayıf moleküller arası etkileşimlerle tutulur; iyot moleküler bir katıdır. Elmasta karbon atomları her yönde kovalent bağlarla birbirine bağlanır; elmas kovalent bir katıdır. Çinkoda metal iyonları metalik bağla tutulur; çinko metalik bir katıdır. Tanecikleri bir arada tutan kuvvet güçlendikçe erime noktası yükselir; saf bir katı belirli bir sıcaklıkta erir.
Sıvılar, buhar basıncı ve kaynama
Bir sıvının akmaya karşı gösterdiği dirence viskozite denir. Moleküller arası etkileşimler güçlendikçe viskozite artar, sıcaklık arttıkça azalır; oda sıcaklığında gliserin zeytinyağından, zeytinyağı da sudan daha viskozdur. Kapalı bir kapta buharlaşma ve yoğuşma hızları eşitlendiğinde buharın yaptığı basınca denge buhar basıncı denir; bu basınç yalnızca sıvının cinsine ve sıcaklığa bağlıdır. Bir sıvının buhar basıncı dış basınca eşit olduğunda sıvının her yerinde kabarcıklar oluşur ve sıvı kaynar. Dış basınç düşünce kaynama noktası düşer: dağ başında su 100 °C'nin altında kaynar, düdüklü tencerede ise basınç arttığı için daha yüksek sıcaklıkta kaynar. Buharlaşma her sıcaklıkta ve yalnızca yüzeyde, kaynama ise belirli bir sıcaklıkta ve sıvının her yerinde olur.
Nem ve bağıl nem
Atmosferdeki su buharının varlığı nem kavramıyla anlatılır. Havadaki su buharı miktarının, havanın o sıcaklıkta taşıyabileceği en fazla su buharı miktarına oranına bağıl nem denir ve yüzdeyle verilir. Bağıl nem yüksekken ter zor buharlaştığı için vücut serinleyemez ve hava gerçek sıcaklığından daha sıcak hissedilir; meteoroloji haberlerindeki hissedilen sıcaklık bu yüzden bağıl nemle birlikte verilir. TYT'de bağıl nem hesaplanmaz.
Gazlar
Gazların belirli şekli ve hacmi yoktur; sıkıştırılabilir, genleşebilir ve birbirleriyle her oranda karışarak homojen karışım oluşturur. Gaz basıncı, gaz taneciklerinin kabın çeperlerine çarpmasından kaynaklanır. Gazların özellikleri şu birimlerle ifade edilir: basınç atm ve mmHg, hacim litre (L), sıcaklık Celsius derecesi (°C) ve kelvin (K), miktar mol. Programda bu birimler arasında dönüşüm yapılmaz; gaz yasaları ve kinetik-moleküler teori 11. sınıf konusudur.
Hâl değişim grafikleri
Saf bir katı sabit basınçta düzenli olarak ısıtılırsa sıcaklık-zaman grafiğinde eğimli ve yatay bölümler görülür. Eğimli bölümlerde madde tek hâldedir ve sıcaklığı artar. Yatay bölümler (düzlükler) hâl değişimidir: ilk düzlük erime, ikinci düzlük kaynamadır. Düzlük boyunca iki hâl bir arada bulunur, sıcaklık sabit kalır ve verilen ısı tanecikler arasındaki çekimleri yenmeye harcanır; taneciklerin ortalama hareket enerjisi değişmez. Erime ve kaynama noktaları saf maddeler için ayırt edici özelliktir. Gizli erime ve buharlaşma ısılarıyla hesap yapılmaz.
Plazma
Çok yüksek sıcaklıkta ya da güçlü bir elektrik alanında gaz atomlarından elektronlar kopar; pozitif iyonlar ve serbest elektronlardan oluşan bu hâle plazma denir. Plazma elektriği iletir, elektrik ve manyetik alanlardan etkilenir ve ışık yayar. Güneş ve yıldızlar plazma hâlindedir; şimşek, kutup ışıkları ve floresan lambaların içindeki parlayan gaz da plazmadır.
Çözümlü örnekler
Örnek 1. 1 atm basınçta katı hâldeki saf bir madde sabit güçlü bir ısıtıcıyla ısıtılıyor. Sıcaklık 0–3. dakikalarda −40 °C'den −20 °C'ye çıkıyor, 3–7. dakikalarda −20 °C'de sabit kalıyor, 7–10. dakikalarda 60 °C'ye çıkıyor ve 10–18. dakikalarda 60 °C'de sabit kalıyor. Maddenin erime ve kaynama noktaları nedir? 5. ve 12. dakikalarda kapta hangi hâller bulunur?
Çözüm. Sıcaklığın sabit kaldığı ilk düzlük erimedir; erime noktası −20 °C olur. İkinci düzlük kaynamadır; kaynama noktası 60 °C olur. 5. dakika erime düzlüğündedir; kapta katı ve sıvı bir arada bulunur. 12. dakika kaynama düzlüğündedir; kapta sıvı ve gaz bir arada bulunur. Düzlükler boyunca sıcaklık sabit kaldığı için taneciklerin ortalama hareket enerjisi değişmez; verilen ısı tanecikler arası çekimleri yenmeye harcanır.
Örnek 2. Erime noktası −95 °C ve kaynama noktası 56 °C olan aseton, erime noktası 801 °C olan sodyum klorür ve kaynama noktası −196 °C olan azot 1 atm basınçta 25 °C sıcaklıkta hangi hâldedir?
Çözüm. Bir madde erime noktasının altında katı, erime ve kaynama noktaları arasında sıvı, kaynama noktasının üstünde gazdır. 25 °C, asetonun erime noktasından yüksek, kaynama noktasından düşük olduğu için aseton sıvıdır. Sodyum klorürün erime noktası 25 °C sıcaklıktan çok yüksek olduğu için sodyum klorür katıdır. Azotun kaynama noktası 25 °C sıcaklıktan çok düşük olduğu için azot gazdır.
Örnek 3. Aynı sıcaklıkta denge buhar basınçları X > Y > Z olan üç saf sıvının aynı dış basınçtaki kaynama noktalarını ve moleküller arası çekim kuvvetlerini sıralayınız.
Çözüm. Moleküller arası çekim zayıf olan sıvının molekülleri kolay buharlaşır; bu sıvının buhar basıncı yüksektir. Bu yüzden çekim kuvvetleri Z > Y > X biçiminde sıralanır. Buhar basıncı yüksek olan sıvının buhar basıncı dış basınca daha düşük sıcaklıkta ulaşır; kaynama noktaları da Z > Y > X olur. En uçucu sıvı X'tir.
Örnek 4. Tuz, iyot, elmas ve çinko katılarının taneciklerini bir arada tutan kuvvetler nelerdir? Hangisi katı hâlde elektriği iletir?
Çözüm. Tuzda (sodyum klorür) Na⁺ ve Cl⁻ iyonları iyonik bağla bir arada durur; tuz iyonik bir katıdır. İyotta I₂ molekülleri birbirine zayıf London kuvvetleriyle bağlıdır; iyot moleküler bir katıdır ve kolayca süblimleşir. Elmasta karbon atomları birbirine her yönde kovalent bağlarla bağlanarak dev bir ağ oluşturur; elmas kovalent bir katıdır. Çinkoda metal iyonları elektron denizi içinde metalik bağla tutulur; çinko metalik bir katıdır. Katı hâlde yalnızca serbest elektronları olan çinko elektriği iletir.
Sık yapılan hatalar
- Hâl değişimi sırasında saf maddenin sıcaklığının arttığını sanmak; düzlük boyunca sıcaklık sabittir.
- Kaynama noktasının her yerde aynı olduğunu düşünmek; kaynama noktası dış basınca bağlıdır.
- Denge buhar basıncının sıvı miktarına ya da kabın hacmine bağlı olduğunu sanmak; yalnızca sıvının cinsine ve sıcaklığa bağlıdır.
- Buharlaşmanın yalnızca kaynama noktasında olduğunu düşünmek; buharlaşma her sıcaklıkta yüzeyde olur.
- Bütün katıların erime noktasının yüksek olduğunu sanmak; iyot gibi moleküler katıların erime noktası düşüktür.
- Katılar taneciklerini tutan kuvvete göre iyonik, moleküler, kovalent ve metalik katılar olarak ayrılır.
- Tuz iyonik, iyot moleküler, elmas kovalent, çinko metalik katıdır.
- Viskozite moleküller arası çekimle artar, sıcaklıkla azalır.
- Buhar basıncı dış basınca eşitlenince sıvı kaynar; dış basınç düşünce kaynama noktası düşer.
- Isınma eğrisinde düzlükler hâl değişimidir; düzlükte sıcaklık ve ortalama hareket enerjisi sabit kalır.
- Bağıl nem yüksekken ter zor buharlaşır ve hava daha sıcak hissedilir.